引力坍缩恒星演化初期猛烈变化的过程

引力坍缩（英文：Gravitational collapse）是天体物理学上恒星或星际物质在自身物质的引力作用下向内塌陷的过程，产生这种情况的原因是恒星本身不能提供足够的压力以平衡自身的引力，从而无法继续维持原有的流体静力学平衡，引力使恒星物质彼此拉近而产生坍缩。

据国外媒体报道，美国宇航局最新发布了由“哈勃”望远镜所拍摄的多彩照片，令人大开眼界。它拍摄了距离地球大约20万光年之遥的“大麦哲伦星云”（LMC），该星云实际上是我们银河系的一个卫星星系，该星系内的大量气体慢慢发生引力坍缩形成新的恒星，新诞生的恒星发出的光芒点亮了周围的气体云。

中文名

引力坍缩

外文名

gravitational collapse

相关学科

物理，天文

现象

天体向中心猛烈下落

反应

e+(Z﹐A)→ve+(Z-1﹐A)

星系

恒星

恒星形成中

恒星形成于星际间尘埃和气体构成的巨型星云，这些星云中的粒子通常状态下以高速随机运动，彼此间的引力不足以将它们压缩到一起。但当外界条件（例如临近的超新星爆发或者其他激变事件的发生）允许时，这些星云被足够强的压力压缩以至于引力能够克服这些粒子的运动使它们彼此靠拢。于是星云开始引力坍缩的过程，并且其速度越来越快，由于角动量守恒的制约最终从原先庞大的星云中分离出许多小的但更致密的星云，这一过程也经常称作引力凝聚（gravitational condensation）。这些星云继续在自身的引力作用下发生坍缩，同时坍缩的能量不断转化成星云的内能，在星云内部产生向外的辐射压，这个辐射压能够通过平衡向内的引力逐渐减缓并最终停止引力坍缩。当辐射压与引力彼此平衡时，星云坍缩为一个具有一定密度的球体，这被称作原恒星。原恒星的周围仍然充斥着厚重的星际气体和尘埃。天文学家已经观测到部分引力凝聚的过程，但这一过程还没有得到全面的了解[1]。

一个约大于1/10倍太阳质量的原恒星能够具有足够高的温度和密度发生氢核聚变，从而能够演化为主序星，在主序星阶段提供恒星辐射压的主要来源就是这种氢核聚变。而小于这一质量的原恒星只能形成褐矮星或次恒星天体，它们不能进行氢核聚变，但有些可以进行氘核聚变；更小的原恒星只有成为行星的可能，正如太阳系中的大行星那样。

恒星衰亡中

我们主要详细讨论恒星衰亡中的引力坍缩过程，这发生在恒星演化的最后阶段。由于支持恒星的辐射压来自于恒星内部轻元素到重元素的聚变而产生的热量，当恒星的核燃料消耗殆尽后，恒星的温度会逐渐冷却，辐射压从而逐渐不能平衡恒星自身的引力而产生坍缩，而恒星的半径会逐渐减小。从物理上研究引力坍缩的基础是广义相对论，因此我们考虑如下的恒星模型。

反应

当恒星中心密度足够大时﹐在引力坍缩中发生下列反应：e+(Z﹐A)→ve+(Z-1﹐A)。e为电子。(Z﹐A)是质子数为Z﹐核子数为A的原子核﹔ve为电子中微子。这种过程引起物质的中子化。在一定条件下(例如γ≈4/3)﹐引力坍缩过程中将出现强的激波﹐它引起恒星外层物质的抛射。但在有些条件下(如γ>>4/3)﹐坍缩过程并不一定伴有质量抛射。不同质量的恒星﹐在引力坍缩后有可能形成各种不同类型的致密星。

引力辐射

由于超新星的引力坍缩并不是高度对称的，这一点已经在对超新星SN 1987A的观测中得到证实超新星的爆发很有可能是一种重要的引力波源，按照不同情况可分为三类。

在超新星引力坍缩开始后形成中子星的最初期（～0.1秒），这个新生的中子星处于高度不稳定的对流状态，同时它也是高温并且是非球对称的，处于一种“沸腾”的状态。这种沸腾能够使中心炽热的核物质（～1012开尔文）上升到中子星的表面，并被表面的中微子流冷却。理论上这一过程中非对称的中子星的自转会产生相当微弱的并具有周期性的引力辐射。据推测，这个过程中可能会产生大概在10个周期上的引力波，频率在100赫兹左右，强度在的量级（r是超新星到地球的距离）。这类事件由于有炽热的中微子流的存在，可以由中微子探测器与引力波探测器进行相关符合测量。

在超新星的引力坍缩过程中，转动会使坍缩的内核逐渐变得扁平，从而开始发生引力辐射。如果内核的角动量足够小以至于离心力不足以使坍缩在内核达到原子核的密度之前就停下，那么内核的坍缩、反弹以及之后发生的振荡很有可能是轴对称的。因此这期间会产生一种持续时间很短且无周期性的引力波的突发信号（burst），并伴随有电子俘获和中微子输运的过程。但引力辐射的波形和振幅都很难从理论上预测，现在只有数值模拟的方法。这种突发信号可能频带很宽，中心频率在1千赫兹；或者有可能是在200赫兹到10千赫兹之间任意一个频率的周期性啁啾信号。理论上估计如果其发射的能量要大于0.01倍太阳质量，现在的地面探测器则有可能观测到发生在室女座星系团之内的这类事件。但事实上数值模拟的结果显示这部分引力辐射的能量非常少，一般认为辐射能量不会超过超新星总质量的，相应的强度在的量级之下，这对于现在的地面引力波探测器LIGO和VIRGO而言将无法探测到本星系群以外的此类事件。

如果在坍缩过程中内核的角动量足够大以至于它能使坍缩在内核达到原子核的密度之前就停下，则这过程中产生的动态不稳定性有可能破坏内核的轴对称性。内核有可能形成一种自转的棒状结构，并有可能碎裂成更多大质量的碎块。这个过程所形成的引力波强度有可能可以与双中子星旋近时的引力波强度相媲美。这种强度的引力波信号可以被现在的LIGO和VIRGO探测至室女座星系团之内（超新星爆发几率为每年几次），并有可能在下一代探测器中延伸到超新星爆发几率为每年几万次的范围。

参考资料

1.科学家公布哈勃望远镜拍摄到的彩色星云图片·央视网